天然纹理清水混凝土模板设计与方案比选*

蔡晓男，孙忠猛，张 斌，杨连佼

(中交三航局第二工程有限公司，上海 200122)

0 引言

随着建筑材料的改善和施工工艺的提升，清水混凝土建筑得到众多建筑师的广泛认可，如港珠澳大桥东人工岛、北京五棵松体育馆、郑州国际会展中心等，这些地标性建筑都采用了清水混凝土结构，并在配合比设计、模板使用、施工工艺、控制标准等方面，行业内已形成清水混凝土的成套技术成果。在此基础上，设计师们开始追求拓印天然纹理的清水混凝土结构，如仿木纹饰面和仿竹席纹饰面等，但这方面相关研究和工程应用尚不多见。其中，模板设计与施工是保证建筑立面纹理清晰、自然灵动的关键。本文依托第十届花博会东平小镇未来展厅项目，探索清水混凝土天然纹理的模板方案，涉及模板选择、实体效果、经济分析等内容。

1 工程概况

中国花卉博览会(简称“花博会”)是我国规模最大、规格最高、影响最广的国家级花事盛会，第十届花博会选址上海崇明，将于2021年5月21日正式开幕。东平小镇未来展厅是第十届花博会总体规划展示馆，为地上2层清水混凝土结构，建筑面积约1 300m2，为顺应历史轴线与场地脉络，建立片墙体系，承重片墙空间扭转，结合楼板形成一体化的展陈空间，场地脉络蔓延至室内，与展览功能沟通互动，漫游路径抬升形成2层，围合丰富的挑高空间(见图1)。未来展厅外立面要求木纹清水效果一次成型，不做任何外装饰，以表现其天然质朴之美，为响应设计理念，本工程从外观效果、施工难度、质量控制、经济成本等方面，对多种拓印模板体系进行比较分析，以求最大限度地表达设计师的目标和预期。

图1 未来展厅项目三维效果

2 模板选型与设计

未来展厅在方案设计阶段初步拟定了4种方案：①外凸竹纹 双层模板体系，外层模板为普通胶合板，内层模板为天然竹条模板，竹条内部纹路与混凝土面接触，形成外凸造型；②内凹竹纹 与外凸式类似，双层模板体系，竹条外部纹路与混凝土接触，形成内外造型；③硅胶竹纹 双层模板体系，外层模板为普通胶合板，内层模板为硅胶制成仿竹纹造型；④实木木纹 双层模板体系，外层模板为普通胶合板，内层模板为带自然纹理的实木条。

2.1 外凸竹纹模板

外层模板选用1 220mm×2 440mm×18mm胶合板，内层模板选用生长期3年以上、支杆挺直的老竹，要求直径35～50mm，竹子2个端头的直径偏差<10mm且长度>5m。内层模板加工时，先将竹子居中切开且小刨子修边，再将半圆形竹片背面紧贴外层胶合板并用30mm马钉固定，最后在半圆形竹片连接的间隙处用发泡剂填充密实，至此内、外层模板形成整体。外凸竹纹模板合模前需涂刷水溶性脱模剂2～3遍(见图2)。

图2 外凸竹纹模板

2.2 内凹竹纹模板

内凹和外凸竹纹模板所使用的材料基本一致，竹片正面紧贴外层胶合板并用30mm气钉固定，竹片两侧端头需适当加密。竹片拼接应保持100mm等间距，严禁出现竹节顺向拼接，避免出现错台或不平顺。此外，竹片切口与外层胶合板之间的间隙也要用发泡剂填塞密实，避免拆模时表面破损。拼装完成后竹节外表面均需涂刷2～3遍水溶性脱模剂(见图3)。

图3 内凹竹纹模板

2.3 硅胶竹纹模板

外层模板选用1 220mm×2 440mm×18mm胶合板，内层模板选用定制化硅胶仿竹纹模板，该模板具有固化易成型、表面密实光滑、强度高不易破损等优势，现场模板选用直径30mm和80mm 2种规格的仿竹节模板，单块尺寸1.2m×2.0m。硅胶仿竹纹模板采用双面胶与外层胶合板粘连，双面胶纵横向交叉布置，间距控制在150～200mm，模板中部可适当加密，模板的4个角点需用射钉固定，模板拼装完成后均需涂刷2～3遍水溶性脱模剂(见图4)。

图4 硅胶仿竹纹模板

2.4 实木木纹模板

外层模板选用1 220mm×2 440mm×18mm胶合板，内层模板选用30～50mm宽实木条拼接。加工过程中，实木条的端部和侧边需用刨床刨平，并用木工角尺检查其方正度，实木条侧面用双面胶密封，确保木条拼接处不漏浆。实木条的外露侧边需斜切45°角，保证模板拼缝处连接密实。内层模板的实木条应在胶合板上先行预拼装，并用射钉临时限位，检查其平整度、方正度及尺寸，当满足设计要求时，按30～50颗/m射钉呈梅花状布置，射钉间距约50mm。内层实木条原则上不允许出现三角形模板，需根据建筑造型设计配模图，明确内层模板的加工尺寸，确保木条拼缝自然贯通。

内层模板应选择自然纹路清晰、板材强度适中的优质木材。试验过程中，先后对比松木、杉木、樟木等多种木材的自然纹理，木材裁切完成后，先用钢刷加深木材表面的自然纹理，此时木材表面会有较多毛刺，再用刨床轻微找平，结果发现进口柳杉的应用效果最佳。模板拼装完成后均需涂刷2～3遍水溶性脱模剂(见图5，6)。

图5 进口柳杉处理后的木纹纹理

图6 木纹模板曲线段现场拼接

3 实施效果

为验证不同模板体系的实施效果，现场制作长13.8m、高4.67m的直立墙90°扭转为屋面挑檐的样板段，具体节段划分如图7所示。

图7 样板段工艺性试验

1)外凸竹纹模板 该方案现场竹子加工质量要求很高，多数竹子均须二次刨平，以保证表面平整顺直。并且，竹条的拼缝位置难以用发泡剂填塞密实而无法提供足够的支撑力，浇筑过程中，模板底部因混凝土侧压力过大，出现内层竹条的压缩变形甚至破裂等现象。此外，竹条拼缝间隙处的部分发泡剂会污染混凝土表面难以清除。该种模板要求竹子的内表面与现浇混凝土直接接触，尽管涂刷3道水溶性脱模剂，但拆模过程仍较困难，竹纹的成型效果与设计预期相差较大，因竹节的隔断及竹节间距较大，混凝土拓印效果较差。

2)内凹竹纹模板 该方案相对于外凸竹纹实施效果较好，主要表现在：①半圆形竹条正扣胶合板，内层模板的抗压能力更强；②竹条外表面较光滑，拆模较容易，竹条与混凝土的粘连较少发生；③最终的成型效果有明显提升。但该方案也存在一些问题，如内层模板的加工依旧相对繁琐、竹节间距的大小直接影响整体的景观效果等。此外，竹条之间的拼缝大小较难控制，拼缝过小则模板附近振捣难密实，拼缝过大则易出现明显突起的砂浆层。

3)硅胶竹纹模板 硅胶竹纹模板的成型效果明显好于前2种方案，天然竹节的仿生程度极高，而且内层模板是定制化产品，现场模板拼装的工程量较少。但硅胶模板与混凝土的粘连情况较常见，当混凝土的侧压力较大时，竹节形态稍有变形，此外，因硅胶模板密闭性好，混凝土表面有些许小气泡影响外立面景观效果。

4)实木木纹模板 木纹模板的加工虽然并不复杂，但加工精度要求较高，尤其是木纹面的拉毛和压刨处理。并且，内层模板的拼接不能出现三角块及通长缝隙，对木工的作业水平要求较高，基本要达到室内精装修水平。从成型效果看，木纹模板的混凝土表面纹路清晰，完整性较好，并且其相对于硅胶模板具有更好的透气性，混凝土表面基本无聚集性气泡，这对空间曲面混凝土构件的现浇有极大帮助。但需注意的是，实木木条对混凝土的表面颜色还是略有影响，易出现因木条颜色不均匀而导致表面色差(见图8，9)。

图8 外凸、内凹、硅胶仿竹纹清水混凝土实体效果

图9 木纹模板清水混凝土照片

4 经济成本

东平小镇未来展厅是EPC总承包项目，不仅要考虑设计效果，也要测算施工成本。针对上述4套模板体系，从材料费和人工费计算单块模板的综合单价。如表1所示，硅胶仿竹纹模板的施工成本最高，其综合单价约为天然竹纹模板的2倍，而天然竹纹和实木木纹的施工成本较相近。尽管硅胶模板理论上可重复利用，但未来展厅结构厚度大、建筑造型独特，对拉丝杆的布置非常密集，最小间距400mm，硅胶模板的穿孔破坏很严重。此外，天然竹纹和实木木纹的模板均为一次性损耗，而且从施工工艺上看，1层和2层建筑均为整体性一次浇筑，其模板周转使用几乎不可能。

表1 按标准胶合板面积(2 440mm×1 220mm)计算结果

5 结语

东平小镇未来展厅的建筑立面最终选用木纹拓印清水混凝土，其木纹纹理自然生动、清晰可辨，并且工程造价相对低廉。尽管木纹清水混凝土对作业人员的技术水平和原材料的质量控制要求较高，但通过样板段的工艺性试验及编制技术指导书等途径能确保混凝土表观质量达到设计预期。并且从施工过程看，木纹仿真型较竹纹仿真型外表更美观，且内层模板的拼接和加工也更简便。此外，木条拼接模板的透气性好于硅胶模板，对空间扭转曲面的混凝土浇筑也更有利。